[原创] 主流先进制程工艺梳理
2019-09-30
14:00:03
来源: 半导体行业观察
目前，已经量产的主流先进半导体制程工艺已经来到了7nm，明年，5nm也将量产。而从制程工艺的发展情况来看，一般是以28nm为分水岭，来区分先进制程和传统制程。下面，就来梳理一下业界主流先进制程工艺的发展情况。
28nm
由于性价比提升一直以来都被视为摩尔定律的核心意义，所以20nm以下制程的成本上升问题一度被认为是摩尔定律开始失效的标志，而28nm作为最具性价比的制程工艺，具有很长的生命周期。
在设计成本不断上升的情况下，只有少数客户能负担得起转向高级节点的费用。据Gartner统计，16nm /14nm芯片的平均IC设计成本约为8000万美元，而28nm体硅制程器件约为3000万美元，设计7nm芯片则需要2.71亿美元。IBS的数据显示：28nm体硅器件的设计成本大致在5130万美元左右，而7nm芯片需要2.98亿美元。对于多数客户而言，转向16nm/14nm的FinFET制程太昂贵了。
就单位芯片成本而言，28nm优势明显，将保持较长生命周期。一方面，相较于40nm及更早期制程，28nm工艺在频率调节、功耗控制、散热管理和尺寸压缩方面具有明显优势。另一方面，由于16nm/14nm及更先进制程采用FinFET技术，维持高参数良率以及低缺陷密度难度加大，每个逻辑闸的成本都要高于28nm制程的。
28nm处于32nm和22nm之间，业界在更早的45nm阶段引入了high-k值绝缘层/金属栅极（HKMG）工艺，在32nm处引入了第二代 high-k 绝缘层/金属栅工艺，这些为28nm的逐步成熟打下了基础。而在之后的先进工艺方面，从22nm开始采用FinFET（鳍式场效应晶体管）等。可见，28nm正好处于制程过渡的关键点上，这也是其性价比高的一个重要原因。
目前，行业内的28nm制程主要在台积电，GF（格芯），联电，三星和中芯国际这5家之间竞争，另外，2018年底宣布量产联发科28nm芯片的华虹旗下的华力微电子也开始加入竞争行列。
虽然高端市场会被 7nm、10nm以及14nm/16nm工艺占据，但40nm、28nm等并不会退出。如28nm~16nm工艺现在仍然是台积电营收的重要组成部分，特别是在中国大陆建设的代工厂，就是以16nm为主。中芯国际则在持续提高28nm良率。
14/16nm
14nm制程主要用于中高端AP/SoC、GPU、矿机ASIC、FPGA、汽车半导体等制造。对于各厂商而言，该制程也是收入的主要来源，特别是英特尔，14nm是其目前的主要制程工艺，以该公司的体量而言，其带来的收入可想而知。而对于中国大陆本土的晶圆代工厂来说，特别是中芯国际和华虹，正在开发14nm制程技术，距离量产时间也不远了。
目前来看，具有或即将具有14nm制程产能的厂商主要有7家，分别是：英特尔、台积电、三星、格芯、联电、中芯国际和华虹。
同为14nm制程，由于英特尔严格追求摩尔定律，因此其制程的水平和严谨度是最高的，就目前已发布的技术来看，英特尔持续更新的14nm制程与台积电的10nm大致同级。
今年5月，英特尔称将于第3季度增加14nm制程产能，以解决CPU市场的缺货问题。
然而，英特尔公司自己的14nm产能已经满载，因此，该公司投入15亿美元，用于扩大14nm产能，预计可在今年第3季度增加产出。其14nm制程芯片主要在美国亚利桑那州及俄勒冈的D1X晶圆厂生产，海外14nm晶圆厂是位于爱尔兰的Fab 24，目前还在升级14nm工艺。
三星方面，该公司于2015年宣布正式量产14nm FinFET制程，先后为苹果和高通代工过高端手机处理器。目前来看，其14nm产能市场占有率仅次于英特尔和台积电。
台积电于2015下半年量产16nm FinFET制程。与三星和英特尔相比，尽管它们的节点命名有所不同，三星和英特尔是14nm，台积电是16nm，但在实际制程工艺水平上处于同一世代。
2018年8月，格芯宣布放弃7nm LP制程研发，将更多资源投入到12nm和14nm制程。
格芯制定了两条工艺路线图：一是FinFET，这方面，该公司有14LPP和新的12LPP（14LPP到7LP的过渡版本）；二是FD-SOI，格芯目前在产的是22FDX，当客户需要时，还会发布12FDX。
联电方面，其14nm制程占比只有3%左右，并不是其主力产线。这与该公司的发展策略直接相关，联电重点发展特殊工艺，无论是8吋厂，还是12吋厂，该公司会聚焦在各种新的特殊工艺发展上。
中芯国际方面，其14nm FinFET已进入客户试验阶段，2019年第二季在上海工厂投入新设备，规划下半年进入量产阶段，未来，其首个14nm制程客户很可能是手机芯片厂商。据悉，2019年，中芯国际的资本支出由2018年的18亿美元提升到了22亿美元。
华力微电子方面，在年初的SEMICON China 2019先进制造论坛上，该公司研发副总裁邵华发表演讲时表示，华力微电子今年年底将量产28nm HKC+工艺，2020年底将量产14nm FinFET工艺。
12nm
从目前的晶圆代工市场来看，具备12nm制程技术能力的厂商很少，主要有台积电、格芯、三星和联电。联电于2018年宣布停止12nm及更先进制程工艺的研发。因此，目前来看，全球晶圆代工市场，12nm的主要玩家就是台积电、格芯和三星这三家。
台积电的16nm制程经历了16nm FinFET、16FF＋和16FFC三代，之后进入了第四代16nm制程技术，此时，台积电改变策略，推出了改版制程，也就是12nm技术，用以吸引更多客户订单，从而提升12吋晶圆厂的产能利用率。因此，台积电的12nm制程就是其第四代16nm技术。
格芯于2018年宣布退出10nm及更先进制程的研发，这样，该公司的最先进制程就是12nm了。该公司是分两条腿走路的，即FinFET和FD-SOI，这也充分体现在了12nm制程上，在FinFET方面，该公司有12LP技术，而在FD-SOI方面，有12FDX。12LP主要针对人工智能、虚拟现实、智能手机、网络基础设施等应用，利用了格芯在纽约萨拉托加县Fab 8的专业技术，该工厂自2016年初以来，一直在大规模量产格芯的14nm FinFET产品。
由于许多连接设备既需要高度集成，又要求具有更灵活的性能和功耗，而这是FinFET难以实现的，12FDX则提供了一种替代路径，可以实现比FinFET产品功耗更低、成本更低、射频集成更优。
三星方面，其晶圆代工路线图中原本是没有12nm工艺的，只有11nm LPP。不过，三星的11 LPP和格芯的12nm LP其实是“师出同门”，都是对三星14nm改良的产物，晶体管密度变化不大，效能则有所增加。因此，格芯的12nm LP与三星的12nm制程有非常多的共同之处，这可能也是AMD找三星代工12nm产品的原因之一。
中芯国际方面，不仅14nm FinFET制程已进入客户风险量产阶段，而且在2019年第一季度，其12nm制程工艺开发进入客户导入阶段，第二代FinFET N+1研发取得突破，进度超过预期，同时，上海中芯南方FinFET工厂顺利建造完成，进入产能布建阶段。这意味着用不了多久，一个新的12nm制程玩家将杀入战团。
10nm
到了10nm这个节点，行业玩家就只剩下台积电、三星和英特尔了。
总的来说，台积电还是领先的，其典型产品就是2017年为苹果代工的A11处理器。而三星也紧跟步伐，在10nm这个点，双方的进度相差不大，但总体水平，台积电仍然略胜一筹。
今年，英特尔的老对手AMD打起了翻身仗，凭借台积电代工的7nm锐龙3000系列处理器，让AMD在CPU处理器的制程工艺上首次超越了英特尔。
而目前，英特尔的主流制程是14nm，不过，前不久传来消息，经过多年的攻关，该公司终于解决了10nm工艺的技术难题，已经开始量产。
不过，英特尔对制程节点的严谨追求是很值得称道的，从具体的性能指标，特别是PPA和晶体管密度来看，英特尔的10nm比台积电的10nm有优势。
7nm
在7nm，目前只有台积电和三星两家了，而且三星的量产时间相对于台积电明显滞后，这让三星不得不越过7nm，直接上7nm EUV，这使得像苹果、华为、AMD、英伟达这样的7nm制程大客户订单，几乎都被台积电抢走了。在这种先发优势下，台积电的7nm产能已经有些应接不暇。而在7nm EUV量产方面，台积电也领先了一步，代工的华为麒麟990已经商用，三星7nm EUV代工的高通新一代处理器也在生产当中，估计很快就会面市了。
英特尔方面，在10nm之后，该公司称会在2021年推出7nm工艺，据悉，其7nm工艺已经走上正轨，功耗及性能看起来都非常好，根据之前的消息，7nm工艺会在2021年的数据中心GPU上首发。
结语
以上，就业界已经量产的主流先进制程工艺的发展情况，以及相关厂商的进展进行了阐述。而更先进的5nm、3nm、2nm等还没有进入量产阶段，就不再详述了。这些制程节点已经鲜有玩家了，目前只有台积电和三星这两家，台积电称将于明年量产5nm，而三星似乎要越过5nm，直接上3nm。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
今天是《半导体行业观察》为您分享的第2083期内容，欢迎关注。
『 半导体第一垂直媒体 』
实时 专业 原创 深度
识别二维码 ，回复下方关键词，阅读更多
AI｜ 射频 ｜ 华为 ｜ 中国芯 ｜晶圆｜ 化合物 ｜ 存储 ｜阿里巴巴
回复 投稿 ，看《如何成为“半导体行业观察”的一员 》
回复 搜索 ，还能轻松找到其他你感兴趣的文章！
责任编辑：Sophie
